激光协会
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准连续光纤激光器迎来黄金发展期

对于企业来说,使用准连续(QCW)光纤激光器的原因有许多,例如光纤激光器结合了一台脉冲Nd:YAG激光器的钻孔和焊接优势以及一台CO2激光器的切割能力。

采用传统技术无法实现这些加工性能的组合,所以在过去许多公司同时拥有CO2激光器和Nd:YAG激光器来应对更广泛的加工需求和应用。QCW光纤激光器可以在脉冲和连续(CW)模式下工作,所以单个激光器便可以处理过往需要两个不同的激光器才能完成的各种加工任务。

图1:光纤激光器是一种固态激光器,配置了永久密封连接的连续光纤以防止灰尘和污垢的产生,并且不含移动部件。

今天,数以万计的光纤激光器正全天候应用于不计其数的行业和领域。在许多材料加工应用中,这些激光系统正在快速替代Nd:YAG 激光器和CO2激光器的作用。除此外,企业正在替换现有生产线上的旧激光器,同时确保其现有设备的停产损失被降至最低。


为何选择QCW光纤激光器?
 

准连续光纤激光器如今已成为现代制造工厂的一部分。
 

这类激光器可以同时在连续和高峰值功率脉冲模式下工作。与传统的连续(CW)激光器不同,其峰值和平均功率在CW和CW/调制模式中总是相同的,而QCW激光器在脉冲模式下的峰值功率要比平均功率高出10倍。
 

因此,这样能够在从几十赫兹到几千赫兹的重复频率下产生具有高能量的微秒和毫秒脉冲,并且可实现数千瓦的平均功率和峰值功率。
 

耗材和维护要求

图1显示的是一台典型的光纤激光谐振器。它是一种固态激光器,配置了永久密封连接的连续光纤以防止灰尘和污垢的产生,并且不含移动部件或自由空间镜片,谐振器无需做任何调整,没有耗材,也不需要维护。
 

这些特点有助于确保激光器的性能,从而使其在多年的操作中保持稳定性和一致性。在没有消耗性部件的情况下,输出功率没有衰减,激光输出的光束质量也维持不变,并且也不再需要技术人员做定期调整,以保持激光加工系统的正常运作。


电光转换效率
 

电光转换效率(WPE)是指激光器将消耗的电能转换为光输出功率的效率指标。
 

QCW光纤激光器的固态光纤谐振器基于其较大的表面积/体积比而能有效散热,从而在被动式冷却方案下能够实现大于30%的电光转换效率。由于QCW光纤激光器与其它激光系统相比,可提供十倍的WPE增量,所以也不难理解为何近几年来这类激光器的接受度得到迅速扩张。
 

显著降低的电力费用,再加上没有消耗品,没有零配件以及低维护需求,没有预热时间要求,最终带来相当大的成本优化。
 

典型规格和加工能力
 

QCW光纤激光器在微秒至毫秒的脉宽下提供数焦耳到数十焦耳的脉冲能量。它们还在高达50KHz的脉冲重复频率下提供高出几倍的最大平均功率(从150W到超过2kW)。此外,QCW激光器还能够在CW/调制模式下工作,占空比高达100%。
 

例如,一台20kW峰值功率的QCW光纤激光器可以在CW或脉冲模式下以2kW功率运行,并且在100Hz的重复频率下产生200焦耳的脉冲能量,1kHz下产生20焦耳脉冲,或在5kHz的重复频率下产生4焦耳的脉冲能量。
 

由于其较高的平均功率和脉冲重复频率,QCW光纤激光器显著提高了加工速度以及生产效率。例如,当在航空部件上切割稀释孔或窗口时,根据零件结构和材料厚度,大多数激光器的切割进给速率为5至10IPM。然而,当使用QCW光纤激光器切割同一部件上的相同孔洞时,其进给速率则能达到20-30IPM,甚至更高。


操作模式,脉冲调制和整形
 

QCW光纤激光器的优点之一是能够快速增加和降低功率水平,并且可以在线从脉冲模式切换到连续运行模式。鉴于光纤谐振器中没有热透镜以及泵浦二极管的快速响应,这是可以实现的,但如果使用闪光灯泵浦激光器便无法做到这一点。
 

单个QCW光纤激光脉冲可以使用模拟控制或内部脉冲发生器进行调制,以实现任何特定应用所需的最佳时间脉冲形状。操作员还可以使用定制的重复频率和功率调制对所需的脉冲序列进行预编程。
 

当处理复杂零件(例如锐角和窄孔)或是高反及敏感材料时,操作员可以实时控制脉宽、占空比、频率、脉冲能量和平均功率。QCW激光器为整形脉冲的产生提供了卓越的脉冲整形功能,其调制能力超越其它技术。
 

水冷机保养
 

大多数的非光纤激光器必须使用大型水冷机进行水冷,这需要定期进行日常维护。去离子(DI)滤芯、颗粒过滤器以及去离子水必须定期更换(通常每六个月更换一次),以防止水污染。如果冷却水的质量无法得到保障和维持,激光效率便会降低,并且光学元件也可能被损坏。
 

因而,公司必须储存闪光灯、去离子滤芯、颗粒过滤器和去离子水,并且安排定期的停机时间来保养激光器。然而,光纤激光器消除了这些消耗和维护问题;无需更换光学部件或闪光灯,同时与这些问题息息相关的保养和停机等事宜也一并得到消除。
 

许多光纤激光器采用空气冷却方式, 不需要水冷机。QCW光纤激光器高达4.5kW的峰值功率可以提供空气冷却,无需水冷机。

正常运行时间和可重复性

采用传统技术的激光器通常需要一段预热时间来稳定谐振器,并确保正确的激光功率持续被传送给工件。
 

不进行加工时,这些激光器通常在待机模式下运行,只有灯泵浦持续闪烁工作以确保谐振器的稳定性能。在这种情况下,即使激光器没有用于生产部件,但闪光灯的寿命和使用期限始终在流逝。
 

相较之下,光纤激光器由固体二极管进行泵浦,因此当激光器不使用时可以完全关闭,并且能够在无需预热时间的情况下即可获得正确的激光功率。由于光纤激光器只有在工艺准备就绪时才被打开,因此可实现更高的正常运行时间,电效率以及产量。
 

光束波形的灵活性
 

根据具体的应用,QCW光纤激光器可选择单模或多模输出方式。为了切割非常薄的材料或需要小光斑尺寸的应用,单模将成为合适的选择。然而,大部分的大功率应用都会使用平顶光或多模模式(参见图2)。

图2:单模光纤激光束形状(上图)多模平顶光束形状(下图)
 

航空航天产业已经证明,采用光纤激光器钻出的孔能够实现一致的流动特性。这得益于激光输出以及平顶光束波形的重复性均得到改进所致。使用QCW光纤激光器,在平顶光束形状下,钻出的孔的锥度较小。
 

无论是冲击钻孔还是环切钻孔,平顶光束形状通常会导致较小的锥度。相比较冲击钻孔,环切钻孔的额外优势是重铸层较小。光纤激光器不使用热透镜,光斑尺寸保持恒定,不随功率的增加或减小变化。
 

单模高功率密度、高脉冲能量、高峰值功率和高重复频率等优势的结合能够使包括金属、硅、氧化铝,蓝宝石和玻璃等在内的门类广泛的材料实现高产能的激光微加工。

空间需求
 

光纤激光技术能够在非常小的封装中实现非常高的功率。这对大多数公司来说是很有吸引力的,因为激光器的占地面积减少继而导致既定的激光工艺所需的整体集成系统占用空间的减少。全球企业似乎一直在寻找能够在更少的空间内充塞更多东西的方法,而光纤激光器的低占用空间可实现这一点。


操作光纤
 

不只是光纤激光器的谐振器具有长而连续的光纤,光束也通过操作光纤被传送到工件。无需校准、维护和更换自由空间光学元件或镜片。操作光纤配有快速断开的接头,如果需要更换光纤,也不需要进行光束校准。

发布时间 : 2017-11-24

激光焊接在船舶制造中大有可为

在20世纪90年代中期,激光作为一种重产业制造工具用于造船产业。大型舰船制造方法逐渐实现由铆接到焊接的变革,焊接方法、工艺和设备也稳步发展,从早先的气焊、电弧焊,发展到激光焊。造船技术的不断发展,带动了造船材料和船舶设计的重大变化。

图1 造船产业中“三明治”板的激光焊接

早期日本的一些船厂就使用激光切割设备获得了正确的切割尺寸和良好的切割质量,并从中受益。1992年,Vosper Thornycroft在欧洲船厂安装了第一台激光切割设备。90年代中、后期,欧洲船厂纷纷安装了用于焊接和切割的成套设备。在美国,Bender 船厂是第一家使用高功率激光切割设备的船厂。1999年Bender 使用6KW的Tanaka LMX Ⅲ激光器,在制造本钱和质量上取得了巨大进步。2001年,联邦电动船部在其移动实验室安装了4KW的ESAB系统。激光切割设备在Bender的应用,引起了对发展高效激光焊接技术的关注。下面图为激光制造技术与系统在欧洲几个船厂的应用实例。

图2 Vosper Thornycroft船厂在欧洲最先使用激光切割设备

图3 Meyer Werft船厂采用的船板焊接头

图4 Odense船厂采用的Triagon激光焊接头

目前世界产业领域都向着低能耗、短流程方向发展,激光制造具有很多传统制造方法无法相比的优点,世界各国都加大了对发展制造业的重视程度。但与国外相比,我国激光技术达到应用推广的还是未几,还没有发挥出应有的作用。究其原因,首先在于激光制造系统的高本钱、高投进;为了更广泛的普及激光制造技术的应用,弥补高投进的题目,需要在充分熟悉影响激光制造技术应用关键因素的基础上,综合考虑船舶本身需求、激光加工系统的投进等因素,控制本钱,寻找最佳加工条件、进步加工效率的方法,终极形成我国新一代激光制造产业链。
    现代激光制造作为通用的加工手段,其前沿领域之一是应用领域的扩展,激光制造应用技术提出并解决新的题目。重点针对汽车、航空航天运载器、船舶和铁路车辆等运输机械的轻型化、冶金产业和循环经济的发展趋势,实现激光制造技术在国防和重点产业领域的产业化应用。同时对激光制造系统技术提出新的要求,如激光器小型化、高转换效率与集成化等,光纤激光器和半导体激光器将得到大力发展。推动我国激光制造技术向着效率更高、能耗更低、流程更短、光束质量更高、性能更好、数字化、智能化程度更高、本钱更低的方向发展,改变我国大产业用激光制造装备完全依靠进口的现状。
    激光技术在船舶制造中的应用又具有其独特性,这跟船舶本身的加工和应用特点以及激光制造系统的特性息息相关。目前铝合金材料逐渐成为运输机械制造的关键材料,全铝结构船显示出良好的发展远景,配合先进的激光制造技术,展示了无穷发展潜力。


发布时间 : 2017-11-24

光纤激光器在铝合金IT构件产品中的应用

随着手机、平板电脑、笔记本等消费类电子产品的更新发展,大量新工艺、新材料、新结构得到了应用,而铝合金具有质量轻、强度高、耐腐蚀、成型性好等优点,被广泛应用于制作各种消费类电子产品结构件,并采用激光脉冲点焊工艺进一步加工。在使用激光进行脉冲点焊时,焊点极易产生裂纹,造成焊接强度下降,稳定性也大大降低。传统的 CO2、YAG 等连续激光器焊接铝合金虽然能够避免裂纹的产生,但是传统激光器光束质量差、体积庞大、维护费用高、光电转换效率低,在一定程度上制约了其在消费类电子产品上的应用。尤其是消费类电子产品的结构件都具有厚度薄、体积小、精度高等特点,采用传统连续激光器焊接时易产生变形大、焊穿、烧熔等问题。
光纤激光器的快速发展为解决这一难题带来了契机,光纤激光器诞生于 20 世纪 60 年代,受当时技术条件限制,发展比较缓慢。自 1988 年Snitzer 等人提出双包层光纤以来,基于这种包层泵浦技术的光纤激光器和放大器获得了快速发展,光纤激光器的输出功率水平快速提升,并广泛应用于高精度激光加工、激光医疗、光通信及国防等领域。
相对于传统激光器,光纤激光器光束质量好、体积小、精度高、光电转换效率高。在焊接消费类电子产品的铝合金结构件时,能够很好地避免传统激光器焊接时存在的一些缺陷和问题。在此将光纤激光器和在消费类电子产品铝合金结构件上应用广泛的脉冲激光器进行对比研究,以确定光纤激光器是否能够成功应用于此类产品上。
实验材料和设备
(1) 实验材料
实验选取了具有代表性的 5052铝合金作为材料,并分析其化学成分,结果如表 1 所示。材料厚度为 0.8mm,焊接接头为搭接接头。
(2) 实验设备
实验所用脉冲激光器为 YAG 灯泵功率反馈脉冲激光器,激光器功率300W,其外观如图 1 所示。光纤激光器采用单模光纤激光器,激光功率500W,外观如图 2 所示。

图1:YAG脉冲激光焊接机

图2:500W光纤激光器


实验过程中采用金相分析法评估焊接质量,通过拉力测试评估焊接强度,并通过测量焊后工件外观尺寸的方法评估焊接变形。实验中的焊接参数如表 1、表 2 所示。


焊接缺陷
铝合金激光焊接的主要缺陷是气孔和裂纹,这点在脉冲激光焊接时体现得尤为明显。一般认为铝合金激光焊接产生的气孔主要是氢气孔和低熔沸点合金元素蒸发导致的气孔。铝合金线膨胀系数高,焊接应力大,又是共晶型合金,易产生热裂纹。尤其是激光脉冲点焊时,单个脉冲作用时间短,热循环速度快,裂纹倾向很大。而采用光纤激光器连续缝焊铝合金时,由于熔池存在时间大大延长,改善了焊接应力以及低熔点物质对焊接裂纹的影响,极大地减少了焊接过程中产生裂纹的倾向。同时,熔池存在时间的延长也有利于熔池中气体的排出,减少焊接气孔的形成。


图3:脉冲激光器铝合金点焊焊点与光纤激光器缝焊焊缝金相对比
 

脉冲激光器铝合金点焊焊点与光纤激光器缝焊焊缝金相对比如图 3 所示,由图 3 可知,光纤激光器连续缝焊条件下,裂纹和气孔都得到了明显的改善。
强度和稳定性
焊接裂纹会明显降低焊接接头的强度,对产品的实用性和可靠性有巨大影响,是最具危害的焊接缺陷之一。铝合金脉冲激光点焊时,裂纹是影响焊接强度的一个重要因素,由于裂纹的不可避免性以及不规律性,造成铝合金点焊的强度远远低于材料本身的强度,并且各个焊接产品之间的强度差异也很大,稳定性较差。而光纤激光器连续焊接方式焊接铝合金能够避免焊接裂纹的产生,有效提高焊缝的强度和稳定性。
光纤激光器和脉冲激光器焊接同一铝合金产品的焊接拉力进行对比。经计算,光纤激光器的平均拉力是脉冲激光器的 3.9 倍,而拉力数据的标准偏差只有脉冲激光器的 1/3。结合图3 的金相分析可知,光纤激光器的焊缝结合部位的宽度比脉冲点焊小得多,但是拉力能达到脉冲激光器的近 4 倍,这是因为 :(1)光纤激光器焊缝在长度方向上仍有延伸,实际的有效结合面积并不比脉冲焊点小 ;(2)脉冲焊点的气孔和裂纹等焊接缺陷造成其焊接强度远低于母材强度,而光纤激光器焊缝的强度接近母材。因此,光纤激光器在焊接该类型产品时,相比脉冲激光器能够有效提高强度和稳定性。
焊接效率
由于光纤激光器缝焊的拉力大大高于脉冲激光点焊,这为提高焊接效率提供了空间,通过减小焊缝条数和焊缝长度,能够在较高的焊接效率条件下,实现与脉冲激光点焊相同甚至更高的焊接拉力。
在实际操作过程中,通过合理优化焊接参数、焊缝条数、长度以及焊接位置等,光纤激光器分段连续缝焊工艺完全可以替代原有的脉冲激光点焊工艺。根据实际生产中的统计数据,该工艺获得了原有脉冲激光点焊工艺3 倍以上的生产效率,同时,将焊接拉力提高到原有脉冲激光点焊工艺的1.5 倍以上。
焊接变形
铝合金线膨胀系数大,易产生焊接变形。激光焊接铝合金的变形量相对较小,但是在焊接 IT 构件类精密程度较高的产品时,即使微小的变形仍然会产生较大的影响,需要进行预防控制。一般采用传统连续激光器进行缝焊的热输入量都要大于脉冲激光点焊,因此变形量也会比脉冲激光点焊大。而光纤激光器由于具有优异的光束质量,光斑更小,能量更集中,能够以更快的速度和更小的热输入量进行焊接,因此产品变形相对传统连续激光器更小。
由于光纤激光器具有上述特点,同时光纤激光器焊接铝合金 IT 构件产品时的强度远高于脉冲激光器,通过合理优化光纤激光器的焊接参数、焊缝条数、焊缝长度以及分布位置,在满足工件的强度要求的同时,减少了焊接过程中注入工件的整体热量,以达到进一步减小工件焊接热变形的目的。经测量,光纤激光器缝焊工件的整体焊接变形量超出脉冲激光点焊3.5%,相对脉冲激光点焊工艺差异不明显,能够满足实际需求。
产品外观
IT 构件类产品对外观都有较高的要求,而铝合金材料受元素偏析、表面粗糙度、氧化层等影响,造成工件表面激光吸收率不一致,这种现象对激光脉冲点焊影响较大。采用脉冲激光点焊时容易出现未焊合、飞溅、烟尘等问题,影响产品外观和性能,需要进行二次清理。

图4:脉冲激光器点焊与光纤激光器缝焊外观对比


脉冲激光器点焊焊点与光纤激光器缝焊焊缝的外观对比如图 4 所示。光纤激光器连续缝焊铝合金时,焊接过程更加平稳,不易产生飞溅和烟尘,无需进行二次清理,在外观和工序上均优于脉冲激光器。
结论
(1)采用光纤激光器连续缝焊铝合金 IT 构件产品可以避免脉冲激光点焊时常出现的焊接裂纹、气孔等缺陷,大大提高了焊接强度及其稳定性。
(2)通过优化光纤激光器的焊接参数、焊缝条数、焊缝长度以及分布位置,可以减小焊接变形,提高生产效率。
(3)光纤激光器焊接铝合金 IT构件时,焊缝平滑美观,不易产生飞溅、烟尘等,不需要进行二次清理,减少了生产工序。
(4)光纤激光器的分段缝焊工艺在焊接强度、整体外观、生产效率等方面均优于脉冲激光器的点焊工艺,并且在变形量与脉冲激光器相当,完全可以取代普通脉冲激光器在铝合金 IT 构件产品上的应用,具有较高的应用价值。


发布时间 : 2017-11-24

激光焊接在船舶制造中大有可为

在20世纪90年代中期,激光作为一种重产业制造工具用于造船产业。大型舰船制造方法逐渐实现由铆接到焊接的变革,焊接方法、工艺和设备也稳步发展,从早先的气焊、电弧焊,发展到激光焊。造船技术的不断发展,带动了造船材料和船舶设计的重大变化。

图1 造船产业中“三明治”板的激光焊接

早期日本的一些船厂就使用激光切割设备获得了正确的切割尺寸和良好的切割质量,并从中受益。1992年,Vosper Thornycroft在欧洲船厂安装了第一台激光切割设备。90年代中、后期,欧洲船厂纷纷安装了用于焊接和切割的成套设备。在美国,Bender 船厂是第一家使用高功率激光切割设备的船厂。1999年Bender 使用6KW的Tanaka LMX Ⅲ激光器,在制造本钱和质量上取得了巨大进步。2001年,联邦电动船部在其移动实验室安装了4KW的ESAB系统。激光切割设备在Bender的应用,引起了对发展高效激光焊接技术的关注。下面图为激光制造技术与系统在欧洲几个船厂的应用实例。

图2 Vosper Thornycroft船厂在欧洲最先使用激光切割设备

图3 Meyer Werft船厂采用的船板焊接头

图4 Odense船厂采用的Triagon激光焊接头

目前世界产业领域都向着低能耗、短流程方向发展,激光制造具有很多传统制造方法无法相比的优点,世界各国都加大了对发展制造业的重视程度。但与国外相比,我国激光技术达到应用推广的还是未几,还没有发挥出应有的作用。究其原因,首先在于激光制造系统的高本钱、高投进;为了更广泛的普及激光制造技术的应用,弥补高投进的题目,需要在充分熟悉影响激光制造技术应用关键因素的基础上,综合考虑船舶本身需求、激光加工系统的投进等因素,控制本钱,寻找最佳加工条件、进步加工效率的方法,终极形成我国新一代激光制造产业链。
    现代激光制造作为通用的加工手段,其前沿领域之一是应用领域的扩展,激光制造应用技术提出并解决新的题目。重点针对汽车、航空航天运载器、船舶和铁路车辆等运输机械的轻型化、冶金产业和循环经济的发展趋势,实现激光制造技术在国防和重点产业领域的产业化应用。同时对激光制造系统技术提出新的要求,如激光器小型化、高转换效率与集成化等,光纤激光器和半导体激光器将得到大力发展。推动我国激光制造技术向着效率更高、能耗更低、流程更短、光束质量更高、性能更好、数字化、智能化程度更高、本钱更低的方向发展,改变我国大产业用激光制造装备完全依靠进口的现状。
    激光技术在船舶制造中的应用又具有其独特性,这跟船舶本身的加工和应用特点以及激光制造系统的特性息息相关。目前铝合金材料逐渐成为运输机械制造的关键材料,全铝结构船显示出良好的发展远景,配合先进的激光制造技术,展示了无穷发展潜力。


发布时间 : 2017-11-24

激光束焊接TC4钛合金的研究进展

由于钛合金具有较高的比强度、耐腐蚀性、蠕变性能以及与碳纤维复合材料较好的相容性,因此,广泛应用于航空、航天、船艇、汽车、化工和生物医学等领域。当工作温度高于130℃或当使用不同的材料导致最终部件的过量时,钛合金也可以代替铝合金,例如用于波音商用飞机747和757的起落架。在所有的商业用钛合金中,作为α+β两相钛合金的代表Ti–6Al–4V具有优异的物理和机械性能,并且能够进行热处理强化或者热机械加工,因此被广泛应用。但是,由于原材料比较贵,以及由钛合金的高强度,低导热性和高化学反应性引起的成形和机械加工过程比较复杂,这就造成钛合金比较贵。
    在航空航天领域的应用,考虑到减重,就需要用焊接代替机械连接;为了降低成本,就需要用焊接来代替整体锻造。
基于这些原因,焊接在降低成本和提高生产产量方面就变得非常有意义。并且Mendez和Eagar的报告也指出,航空航天工业的趋势是广泛使用焊接代替铆接以达到降低重量和成本。显然,只有保证所生产的接头质量,焊接才能够代替像成形和机加工之类的传统制造技术。
    目前,很多热源被考虑用来进行钛合金的焊接。然而,采用传统的熔焊方法对钛合金进行焊接时,焊速较慢、焊件变形较大、焊缝组织较粗大;焊缝中会产生气孔以及夹杂等焊接缺陷;焊接过程易出现气体保护不良而影响焊缝质量等诸多缺点,在一定程度上限制了焊接钛合金的应用。相比电弧焊,束流加工能够更加汇聚热源,有更高的能量密度,能使熔池区域形成更窄更深的焊缝。
    激光焊接作为一种新的高能量焊接最近发展很快,主要是利用受激辐射的光束作为焊接热源,加热母材形成熔池最后冷却凝固形成焊缝的一种焊接方法。作为高能束流焊接技术中的一种,因其具有能量密度集中、焊缝成形好、焊接速度快、焊接精度高、易实现自动化、生产效率高、焊接设备装置简单,不需要真空室等优点,广泛应用到各个工业领域。
    例如,早在20世纪70年代初,美国海军联合装备部和爱迪生焊接研究所就对飞机和装甲车等武器装备进行了激光焊接技术的研究,利用15 kW的CO2激光器对飞机制造中的各种材料、零部件进行了焊接试验、评估及工艺的标准化。Li等人也证明激光束是钛合金的高质量焊接能源。wang等人发现即使测试温度升至450℃,激光焊接Ti-6Al-4V板材也能达到良好的机械性能。
    因此,针对激光焊接TC4钛合金的焊缝形成机理、工艺参数对焊接质量影响规律的研究进展进行了总结,并展望了激光焊接钛合金的发展趋势,为激光焊接钛合金的发展提供了参考。
    1 激光束焊接的原理与特点
    按照激光作用在焊件上的功率密度,可以把激光焊接分为激光热导焊和深熔焊两种基本的焊接方式。热导焊的功率密度小于104~105 W/cm2,其熔深浅、深宽比小。深熔焊的功率密度大于105~107 W/cm2时,金属表面受热作用下凹成“孔穴”,其焊接速度快、深宽比大。
    ① 激光热导焊
    激光热导焊就是利用低功率密度长时间的照射金属表面,使金属表面融化,然后再将表面吸收的热能以热传导的方式传入材料内部,使固液界面慢慢的向底层推进,最终实现对焊件的焊接。激光热导焊焊接的材料重新凝固后一般是焊点或者焊缝。热导焊时,为了确保焊材融化充分同时不能汽化,需要通过对激光功率和焊接速度的控制来严格的控制焊件表面的温度,使之介于材料熔点和沸点之间,才能保证热导焊的焊接质量。
    热导焊采用的低功率密度的激光光斑,加上金属对激光的吸收率低大部分的激光会被金属焊件反射。因此采用热导焊的焊件熔深浅、焊点小、热影响区小、焊件变形小、精度高、焊接质量很好但是焊接速度慢。热导焊一般应用在精密仪器仪表,要求低变型的精密零部件及电子元件薄板上的精密加工。热导焊的原理为,激光辐射加热待加工表面(激光能量被表层10~100nm的薄层所吸收),表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,在两材料连接的部分形成熔池。在激光束向前运动后,熔池中的熔融金属随之凝固,形成焊缝。
    热导焊一般用脉冲激光器。材料仅表面附近被加热到熔点以上较低的温度,激光能量大部分被金属表面反射,光的吸收率较低,因此熔深较浅,通常在lmm~2mm之间,主要用于仪器仪表、电池外壳、电子元件等薄(1mm左右)、小零件和结构的焊接。
    ② 激光深熔焊(小孔焊)
    激光深熔焊的原理及激光辐照下材料表层熔化过程示意图如图1.2所示。其过程是在高功率密度激光的连续照射下,在极短时间内,金属表面温度升高到沸点,迅速熔化,甚至汽化或蒸发,形成等离子体。
    金属蒸汽以一定的速度逸出熔池时对液态金属产生反冲压力,使熔池表面下沉形成凹坑。金属蒸气的持续逸出导致凹坑逐渐加深,最终在熔池中形成细长的小孔。当金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔形状和尺寸趋于稳定。热量从孔壁向外传递,有利于材料对激光的吸收,促进小孔周围的金属熔化,形成熔池。金属的持续蒸发导致小孔向前移动,同时由于表面张力使后面的小孔消失,小孔前面的母材会被高能激光熔化,在压力梯度和温度梯度的作用下绕过小孔,在小孔的后面重新凝固形成焊缝。
    在焊接中可以形成焊缝很窄但是很深的焊缝。这种焊接模式适合在不填丝的情况下高速焊接厚板(达到50mm) 。激光深熔焊过程中,小孔壁始终处于高度波动状态,小孔前壁较薄一层熔化金属随壁面波动向下流动,小孔前壁上的任何凸起位置都会因受到高功率密度激光的辐射而强烈蒸发,产生的蒸汽向后喷射冲击后壁的熔池金属,引起熔池的振荡,并影响凝固过程熔池中汽泡的溢出。
    焊接过程中,匙孔的波动会引起焊接的不稳定性,从而影响工件的整体质量。匙孔波动的主要原因如下: a、出自匙孔的蒸汽流速很快,接近声速,因此可以听到混乱的噪声。颈口处高速流动的蒸汽会产生一个低气压区,促使颈口关闭,这是匙孔波动的原因之一。
     b、匙孔内金属的强烈蒸发,甚至形成喷射,这种无规律的蒸发引起了液态金属的快速抖动,也会造成匙孔的波动。但是,焊接过程中匙孔的不稳定性主要是匙孔前壁局部金属的蒸发造成的。
    由于小孔的形成与激光能量的吸收相关,而熔焊过程中形成的等离子体会影响材料对激光的吸收。因此,有必要明晰等离子体的形成过程及其对激光的吸收。等离子体位于熔池上方的激光传输通道上,它对激光会产生反射、散射以及吸收,还会对激光产生负透镜效应。其吸收的光能可通过以下三种渠道传至工件:等离子体与工件接触面的热传导;等离子体辐射易被金属材料吸收的短波长光波;材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于工件表面。
如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成的工件接收光能的损失,则增强工件对激光能量的吸收。反之,减弱工件对激光的吸收。等离子体呈周期震荡,对激光能量具有屏蔽作用(     吸收、折射),减少激光入射到工件表面的能量密度,并影响光束的聚焦效果。等离子体具有周期性,其通过吸收和散射入射光,影响了激光的能量传输效率,大大减少了到达工件的激光能量密度,导致熔深变浅;由于等离子体对入射激光的折射,使得激光通过等离子时,波前发生畸变,改变了激光能量在工件上的作用区。
    可以通过以下方法抑制等离子体:a、激光摆动法:激光加工头沿焊接方向来回摆动,在匙孔出现后,等离子形成以前,将光斑瞬时移至熔池的后缘; b、脉冲激光焊接法:调整激光的脉冲和频率,使激光的辐射时间小于等离子体的形成时间; c、低气压焊接:采用减压焊接,当气压低于某一程度时,材料表面及匙孔内金属蒸汽密度较小,等离子体减弱; d、侧吹辅助气体:一种是采用辅助气体吹散等离子体;另一种是用导电性好、电离能高的气体抑制环境气体的电离和压缩金属离子蒸汽。
    通过以上分析可知,相对于热导焊,深熔焊有以下优点:
    a、焊缝深宽比较大。因为熔化金属围绕小孔形成并向下延伸,促进了能量吸收;
    b、材料热输入低,热影响区和变形小。因为小孔温度非常高,所以熔化过程非常快;
    c、熔池气体容易逸出,焊缝致密。因为充满高温蒸气的小孔有利于熔池搅拌和气体逸出,焊后高速冷却使焊缝组织细化,强度提高;
    d、焊缝组织纯净,污染少。因为非金属元素和夹杂物的充分逸出降低了杂质含量,改变了其尺寸及其分布;
    e、焊接速度快,生产效率高。
    焊接接头的质量和性能取决于焊接几何形状,焊接期间的熔池行为,焊接区域和热影响区域的冶金以及焊接缺陷。在焊接期间发生的化学和冶金行为的复杂性可能导致在使用中的焊缝的随后的故障,大约45%的焊接缺陷的原因是由于不良的工艺条件[10]。因此,重要的是理解工艺参数对焊接质量的影响机理。
    为了获得可接受的焊接轮廓和令人满意的机械性能,焊缝形状的控制是必要的,因为焊缝的机械性能受焊缝形状的影响。影响焊接金属凝固行为的焊缝形状受焊接参数和输入工件的相应热量的影响。
    因此,有必要理解包括激光功率,焊接速度和散焦距离在内的焊接参数对焊缝形态的影响以及确定焊接缺陷的来源。然后可以确定焊接参数的最佳组合,确保所需的焊接质量和性能,并且最小化焊接缺陷。
    影响激光焊接的主要工艺参数有:激光功率、焊接速度、焦点位置、激光功率密度等。焦点位置直接影响激光功率密度;对熔深要求较高和熔池要求较大时,宜采用负离焦。焊接薄板时,宜采用正离焦,此时焊缝成形较好。
    2 工艺参数对焊缝形貌的影响
    2.1 底部填充和咬边
    Squillace A 等人研究了焊接速度和激光功率对Ti-6Al-4V中LBW对接接头的宏观几何形状的影响。根据比热输入观察到两种焊接方案:对于低于25kJ/m热输入的小孔焊接以及对于高于30kJ/m热输入的以小孔周围的热传导为主的焊接方案。此外,在25和30kJ/m2之间,获得混合状态。图2.1给出了焊缝典型的横截面示意图及宏观图(1.2kW,42mm / s)。

图2.1 (a)焊缝典型的横截面示意图。FU:表面填充,RU:根部填充,FU-ρ:表面填充半径,FZ-W:熔融区宽度,HAZ-W:热影响区宽度;(b)典型横截面的宏观图(1.2kW,42mm / s的焊缝)
    研究发现,所有获得的焊缝存在底部填充,面和根增强物。焊接形态严格受其中产生它们的焊接机制的影响。特别地,在小孔方式中,随焊接速度降低,底部和根部填充先增加,后减小。而底部填充半径或多或少保持恒定。这主要是由于,匙孔长度和两个侧流会以不同的方式引起底部填充缺陷。匙孔的伸长增加了熔体到达匙孔端的路径及两个主熔融流在匙孔端部汇合前的冷却时间。
    另一方面,在小孔周围的热传导占优势的焊接方案中,在焊接面和根部表面处,底部填充半径随着焊接速度的增加而明显降低,即其随比热输入升高时增加。这种行为与由较高比热输入引起的FZ的加宽有关,即与较大量的熔融金属及其较高温度(较低的粘度和表面张力)有关。
    Nikolai Kashaev等人对Ti-6Al-4V对接接头和T接头进行Nd:YAG单面激光焊接工艺进行了研究,使用合金兼容的填充焊丝来避免底部填充和咬边。他们使用二次回归建立了“非焊接皮”宽度与激光功率、入射角和入射高度的关系,通过合理的参数优化,获得了具有低孔隙率和适当几何形状的焊缝。优化结果如图2.2所示。

图2.2 “非焊接皮”宽度与工艺参数之间的关系


    Ahn等人使用5kW光纤激光器对Ti-6Al-4V的薄片进行全熔透焊接,确定了焊接参数(包括激光功率,焊接速度和光束焦点位置)对焊接微观结构,焊缝轮廓和焊接质量的影响。研究发现,焊接顶部和底部宽度都随着激光功率的增加和焊接速度的降低而增加。不完全焊透或窄根宽度是在低激光功率和高焊接速度下的主要问题,而咬边是高激光功率的主要缺陷。
    不完全焊透是由热输入不足造成的,咬边深度增加主要是由于过多的热输入增强了熔融材料从焊接接头的侧面到焊接中心的蒸发和排出,沿着焊缝的长度留下类似排水管的印痕。
    在非常快的焊接速度下,在底部表面观察到飞溅。该缺陷随着激光功率或焊接速度的增加而加强,但是并不影响焊接质量。焊接形状从较低激光功率的V形变为较高激光功率的沙漏形,这是由于传输到材料热输入增加的结果。
    2.2 热影响区和熔池
    Akbari M[17]等人进行了激光焊接钛合金(Ti6Al4V)的数值和实验研究,模拟了温度分布,热影响区(HAZ),熔池的深度和宽度。研究发现,在恒定的焊接速度下,不同焊接速度的温度历史有相似的趋势。降低焊接速度,温度图的峰值增加,并且其最大值出现在较长时间(图2.3)。

图2.3 (a)v=3 mm/s, (b)v=6 mm/s, (c)v=9 mm/s , (d)A点对应的所有焊接速度


    在每个焊接速度下,温度分布在接近激光束中心处急剧减小,然后在离激光束中心的较远区域中略微减小。随着焊接速度的增加,温度下降,并预测在较小的温度下,熔池有较小的宽度。熔池的宽度随焊接速度的增加而降低,且模拟结果与实验一致。熔池的深度随着焊接速度的增加而降低。
    在功率恒定的情况下,焊接速度的增加导致加热时间过短,不足以产生显著的熔池深度。在高焊接速度下,模拟结果与实验数据一致。由于在较低速度下,光束在匙孔内多次反射,吸收率增加,模拟略微不同于实验。热影响区随着焊接速度的增加而减小。
    Yuewei Ai等人用一种新颖的三维模型模拟了Ti6Al4V焊缝的形成过程并预测其在光纤激光匙孔焊接中的全尺寸,用数值模型定量计算整个焊道几何形状,包括宽度,加强和熔深。研究发现,模拟可以清楚地展示焊缝的形成和演变过程。模拟结果表明焊缝加强是由匙孔后面的反冲压力、温度梯度和浮力引起的流体流动形成的。计算的熔池宽度和深度以及预测的焊缝形状都与实验中的非常一致。实验和模拟结果对比见图2.4。

图2.4实验和模拟结果对比


    3 工艺参数对焊缝组织的影响
    Akman等人研究了焊接参数对Ti6Al4V微观组织特征的影响。研究发现,在热影响区和焊接金属中,晶粒尺寸随着平均功率的增加而增大(图3.1)。这是由于在较高平均功率下,热输入增加。

图3.1 (a)474 W, 162.5 um;(b)543 W, 275 um;(c)555 W, 350 um


    Squillace 等人研究了激光功率和焊接速度对Ti6Al4V组织的影响。研究表明,在冷却过程中,熔融区的β树枝晶沿热流方向生长。对于最大和最小的热输入,没有从初生β晶粒产生α,而是全部的α'。这主要是由于板材比较薄,即使对于较低的热输入条件,也导致较快冷却速率,其冷却速率均高于410℃/ s的临界冷却速率,因而允许形成全马氏体。其组织如图3.2所示。

图3.2 FZ的组织:(a)0.8kW,17mm / s,(b)1 kW,50mm / s, (c)是b中的马氏体结构


    热影响区的微观组织由针状马氏体α'和原始α的混合物组成。其对应于Ti-6Al-4V合金从低于β转变温度淬火的特征,其中获得α到β的完全转变(图3.3)。最高冷却速率发生在邻近FZ的热影响区,与FZ的距离不同,HAZ区达到不同的温度,并且经历不同的冷却速率。因此,在HAZ内部,微观组织从焊缝附近的富α'区域演变为接近最低温度和冷却速度的近BM区域的贫α'区。α'含量的梯度取决于引起该狭窄区域产生凝固梯度的温度和冷却速率梯度。

图3.3  1kW,50mm / s下的HAZ显微组织。(a) HAZ的放大;箭头指向从FZ相邻的富含α'区域到BM附近的贫α'区域。(b)HAZ / BM界面(HAZ位于右侧)的微观组织。(c)b的放大。


    4 工艺参数对力学性能的影响
    Squillace等人研究了焊接速度和激光功率对Ti–6Al–4V力学性能的影响。研究发现,在激光功率恒定时,FZ区的平均硬度随着焊接速度的增加而增加;随着热输入的增加而降低。硬度梯度(FZ、BM与HAZ之间的硬度差宽度的比率)与热输入成反比。由于HAZ的微观组织不均匀,数据非常散射。热输入越低,HAZ宽度数据越分散。

与基体相比,焊缝可以达到类似的拉伸性能(表4.1),但是FZ区中较硬的马氏体严重影响了其塑性。

表4.1 激光焊接Ti–6Al–4V的拉伸性能

Fan等人使用三种不同类型的激光器,即Nd:YAG,二极管和光纤激光器进行Ti–6Al–4V的焊接。
研究表明Nd:YAG激光器加工后的焊接质量高于用光纤激光器或二极管激光器产生的焊缝。三种焊接类型的硬度值非常相似。但是强度和塑性不同,这主要是受到不同类型孔的焊接缺陷的影响。三种焊接形式的力学性能如表4.2所示。
    表4.2 三种焊接形式的力学性能


    5 激光焊接钛合金存在的问题
    结合钛合金的焊接性能以及目前的研究现状,可知气孔是钛合金焊接时一个主要问题。气孔的形成主要是由以下几点引起的:(1)局部蒸发引起保护气的侵入;(2)合金元素的烧损;(3)激光焊接合金时,在冷却过程中由于氢在合金中的溶解度急剧下降会形成氢气孔。另外,激光焊接属于近快速凝固过程,快冷快热使得焊接钛合金时,形成内部的残余应力。并且,钛合金塑性比较好,因此在熔焊过程中易产生变形,特别是进行5mm以下的薄板焊接时。
    5.1 气孔
    Panwisawas C等人用一个包含热传递、流体流动和界面相互作用的,针对匙孔焊接的物理模型来模拟激光焊Ti-6Al-4V期间匙孔和气孔的形成。该研究认为,由于在合金中氢的含量比较低,因此,由氢诱导的气孔非常小。
    这个CFD模型是用针对性的实验和后续的决定气孔缺陷存在,位置以及尺寸的气孔缺陷的熔池区域的焊接分析来验证的。
    研究发现,板厚会影响气孔,板越厚,加工诱导的气孔越多。这可能是因为当热源经过时,任何已经形成的或者封闭的蒸汽或者气体会更进一步穿过材料,从板面逸出。当激光功率一定时,气孔的数量随焊接速度的增大而减少(图5.1)。
    这是因为功率一定时,热源前进的速度越慢,热量在材料局部消散的就越多,这将导致在熔融区域内形成更复杂的流体流线系统,从而允许捕获更多的气孔。加工诱导的气孔依赖于三种工艺参数,板厚,激光功率以及扫描速度。在厚板和高能量密度的条件下,孔出现的几率更大。并且气孔主要是球形的,沿焊接线分布,直径为0.38 – 1.16 mm。

图5.1 能量密度对气孔的影响


    该模型可以预测焊接表面的变形和孔的出现位置(图5.2)。

图5.2 模拟和实验的对比


    该研究认为,孔形成的一个可能的机制就是加工诱导产生的。由于两种金属表面的粗糙或不整洁或任何的有氧或者氢的化学反应,热流体可以引起循环流动,并且在快速波动过程中通过捕获匙孔界面的气泡来平衡表面张力,因此就形成了气孔。
    Baohua Chang 等人针对Ti-6Al-4V的全熔透激光焊接开发了计算流体力学模型。并用基于对熔池中的匙孔行为和流体流动特性的预测来分析孔的形成机理。模拟结果表明,当使用给定的激光束聚焦光学器件焊接3mm厚的钛合金板时,在形成深熔透匙孔之前,匙孔深度振荡,但是不能模拟预测之后的匙孔塌陷。
对于较低功率,较低速度的焊接,匙孔后面的流体流动是湍流和不稳定的,并且形成涡流。预测熔融金属从熔池的中心面流走,并且在熔池中,匙孔的后面留下间隙或空隙。对于较高功率,较高速度的焊接,流体流动并不湍急,不形成这种涡流。模拟预测的工件表面处的流体流速如图5.3。

图5.3 工件表面处预测的流体流速(3.0kW,2.5m / min)


    该研究认为,匙孔激光焊接时,气孔可能是匙孔后面流体湍流的结果,相关的雷诺数越大,气孔形成的可能性就越高。对于这种流体流动控制的气孔,降低匙孔附近流体流动的雷诺数,可以有效地减少或避免气孔。
    Jianglin L. Huang 等人研究了熔焊过程中,钛及其合金中孔的形成机理。提出了氢扩散控制的气孔生长模型,以量化氢对钛焊缝中气孔的影响。研究表明,稳定的小孔,窄的熔化前沿和较好的光束对准可以最大程度减小钛合金焊接过程中的气孔。
    5.2 残余应力和变形
    Ahn等人研究了2.0mm厚的钛合金Ti-6Al-4V薄板,在光纤激光焊接期间,由于依赖时间和局部加热引起的残余应力和变形。残余应力的分布如图5.4所示。在远离焊缝的部分中,纵向应力在具有弱压缩应力场的拉伸焊接区域及附近为最大。横向和法向应力在FZ处于最大值,并且具有拉伸性质,在焊缝附近具有压缩,远离焊缝的地方,几乎没有应力。由于焊缝中心线对称,所有三个主应力都是对称的。

图5.4 残余应力分布:(a)在所有三个主要方向上,在焊缝附近的整个宽度上,(b)横向(11),纵向(22)和具有及不具有相变的法线方向


    关于变形的模拟结果如图5.5所示。平面失真关于焊缝中心线对称,在焊接开始和结束位置处接近零,在样品长度中间的外边缘上最大。模拟角位移略大于来自CMM测量的实验结果,而模拟的翘曲位移在靠近板的边缘处较小,并且朝向中心较大。

图5.5 模拟(a)翘曲,(b) 有和没有相变的平面失真角度的大小


    吉沐园等人采用专用焊接夹具对焊件进行夹紧定位,从而对激光焊接变形进行控制,研究表明,通过使用夹具对整个工件进行刚性约束和反变形约束,变形量明显减小,与用残余塑变理论计算出的值基本吻合,工件满足焊接要求。通过对实例的分析,表明对于简单构件的激光焊接,残余塑变理论可以用来预测变形,反变形法是控制焊接变形的有效方法。
    湖南大学的刘西霞等人提出了一种采用被液氮冷却后的氩气对焊接时激光热源的后部进行跟随激冷,以实现焊接过程中变形主动控制的随焊气体动态冷却方法,简称 SGCW。结果表明:SGCW 试件的翘曲变形与残余等效应力均比常规激光焊试件小,变形控制效果最好。
    6 总结与展望
    激光焊接Ti-6Al-4V过程中,气孔出现位置随机,但是通过以下途径可以尽量减少气孔:a、用高纯度(99.9%)的氩气进行焊接;b、焊前清洗;c、合适焊接规范(可以通过模拟来降低试验成本)。需要系统研究焊缝中气孔的产生机理及气孔类型,为有效地减小甚至消除气孔提供理论依据。
    在熔焊过程中,薄板的变形不可避免,但是在条件允许的情况下,可以通过合理的设计板厚或者控制热输入来减小甚至消除变形。由于激光焊接具有能量密度大,焊接速度快,定位精准,焊接热影响区小,变形小,深宽比大,无夹杂等缺陷,目前已经广泛应用于钛合金的焊接中。在焊接过程中,激光功率、焊接速度、焦点位置、激光功率密度等工艺参数会影响热影响区、熔池的宽度和深度,有时会产生咬边等缺陷,进而影响焊缝形貌。
    不同的工艺参数会形成不同的焊缝组织,尽而显著影响力学性能。另外,激光焊接属于近快速凝固过程,快冷快热使得焊接钛合金时,形成内部的残余应力。并且,钛合金塑性比较好,因此在熔焊过程中易产生变形,特别是进行5mm以下的薄板焊接时。
    尽管激光焊接过程中也会产生气孔和变形等缺陷,但是通过模拟计算,设置合理的工艺参数,可以减小甚至消除气孔和变形。因此,激光焊接钛合金在工业上具有较好的应用前景

发布时间 : 2017-11-24

工业机器人行业报告

2016年工业机器人运行情况

2016年我国工业机器人产量达到7.24万台,同比增长了34.3%,销售量约占全球1/4,是全球最大的工业机器人消费市场,产业规模日益扩大,产业技术水平逐渐提升。目前,中国约有3000余家工业机器人制造、服务企业,产业格局已初步形成。

中国工业机器人产业目前处于成长期,自主品牌市场占有率仅32%,高端市场国外产品占95%,关键核心部件仍依赖进口;每万人拥有的机器人台数只有国际平均水平一半,是先进国家的15%;低水平、重复建设情况普遍,机器人制造企业数量多,但规模小。另一方面,中国庞大的制造业转型升级对工业机器人却存在巨大市场需求。

机器人产业发展新进展

产业技术水平明显提升。人机协作机器人等高技术含量机器人已经推向市场,骨科手术机器人在三甲医院已经实现了批量应用,语音识别技术、图像识别技术等一些机器人的专有技术,现在在国际上已经达到了先进水平。一些产业短板也有突破,比如关键零部件,像RV减速器现在已经实现了批量应用,伺服电机控制器的研发和产业化也有了实质性进展。

服务领域进一步拓展。工业机器人已经从传统的汽车制造向机械、电子、化工、轻工、船舶、矿山开采等领域迅速拓展。服务机器人也已经在医疗手术、康复、餐饮、消费、消防、公共服务等领域得到了应用。

龙头企业在日益成长当中。在激烈的市场竞争中,有少数企业脱颖而出,目前已经成长为具有一定国际影响力的机器人公司,有一些企业在细分领域也具备了一定的国际竞争力。

国际合作在进一步深入推进。无论是从产品、技术、标准认证、合资合作等方面,国际交流日益广泛。

工业机器人产业政策与发展方向

我国先后出台《中国制造2025》、《机器人产业发展规划(2016-2020年)》等,力争到2020年,工业机器人销量达15万台,持有量80万台,国产工业机器人年产量达10万台,市场占有率达67%,关键零部件自给率达50%以上,形成比较完整的产业体系。

聚焦智能生产、智能物流,攻克工业机器人关键技术,提升可操作性和可维护性,重点发展弧焊机器人、真空(洁净)机器人、全自主编程智能工业机器人、人机协作机器人、双臂机器人、重载AGV等六种标志性工业机器人产品,引导我国工业机器人向中高端发展。促进服务机器人向更广扩的领域发展。围绕助老助残、家庭服务、医疗康复、救援救灾、能源安全、公共安全、重大科学研究等领域,培育智慧生活、现代服务、特殊作业等方面的需求,重点发展消防救援机器人、手术机器人、智能型公共服务机器人、智能护理机器人等四种标志性产品,推进专业服务机器人实现系列化,个人/家庭服务机器人实现商品化。

在积极培育龙头企业方面,包括引导企业围绕细分市场向差异化方向发展,开展产业链横向和纵向整合,支持互联网企业与传统机器人企业的紧密结合,通过联合重组、合资合作及跨界融合,加快培育管理水平先进、创新能力强、效率高、效益好、市场竞争力强的龙头企业,打造知名度高、综合竞争力强、产品附加值高的机器人国际知名品牌。大力推进研究院所、大专院校与机器人产业紧密结合,充分发挥龙头企业带动作用,以龙头企业为引领,形成良好的产业生态环境,带动中小企业向“专、精、特、新”方向发展,形成全产业链协同发展的局面。

为加快中国工业机器人产业的发展,要加强数控系统、关键零部件、元器件的研发研制,提高自给率,要培育自主知识产权品牌,提供政策支持。同时,要积极开发工业机器人应用市场,积极利用工业机器人对传统产业进行技术改造。

进一步加强与外国公司的合资合作,掌握先进技术,积极应对外企竞争,同时,要避免我们的机器人行业陷入代工模式,对于一些外国公司存在的区域性、行业性价格施压现象,应研究采取措施,防止不正当竞争。

中国将加快组建国家机器人创新中心,并鼓励有条件的地区建立区域性的机器人创新中心,以突破关键技术。同时,将建立工业机器人标准、认证体系和行业规范条件。

工业机器人五类关键零部件发展趋势

高精密减速器。通过发展高强度耐磨材料技术、加工工艺优化技术、高速润滑技术、高精度装配技术、可靠性及寿命检测技术以及新型传动机理的探索,发展适合机器人应用的高效率、低重量、长期免维护的系列化减速器。

高性能机器人专用伺服电机和驱动器。通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究,提高伺服电机的效率,降低功率损失,实现高功率密度。发展高力矩直接驱动电机、盘式中空电机等机器人专用电机。

高速高性能控制器。通过高性能关节伺服、振动抑制技术、惯量动态补偿技术、多关节高精度运动解算及规划等技术的发展,提高高速变负载应用过程中的运动精度,改善动态性能。发展并掌握开放式控制器软件开发平台技术,提高机器人控制器可扩展性、可移植性和可靠性。

传感器。重点开发关节位置、力矩、视觉、触觉等传感器,满足机器人产业的应用需求。

末端执行器。重点开发抓取与操作功能的多指灵巧手和具有快换功能的夹持器等末端执行器,满足机器人产业的应用需求。

发布时间 : 2017-11-24

为什么说光纤激光打标更适于金属微加工

    在各个行业应用中,特别是在医疗、汽车和电子行业,所需要的元器件越来越小,已经是一个不争的事实。


    市场正在使用新的微加工技术,包括具有优良光束质量的先进激光打标机,来获得类似于传统加工技术的加工效果,但是加工方式却更便宜、更快速、更灵活。光纤激光打标技术的成本能比传统加工技术便宜两到三倍。


    正在寻求降低制造成本、同时满足小型化加工挑战的批量制造商们,可使用单模光纤激光打标机在一系列材料(包括钢、镍、钛、硅、铝和铜)上实现出色的加工效果。考虑更换电火花加工(EDM)设备的厂商,以及那些正在考虑采用新工艺时可能转向532nm 和 355nm 激光器的厂商,都可以考虑使用光纤激光打标机。
 

    微加工:只能看到结果,看不到细节

    微加工是指使用诸如钻孔、切割、划线和开槽这些标准的机加工操作,来制造非常细小的特征。实际上并没有一个官方的尺寸标准来确定何时一种操作是微加工,但是一个好的经验法则是,不借助辅助观察工具,这些特征就不能被看到,或者说你只能看到结果,但是看不到细节。换句话说,你可能不知道对材料做了什么来获得特定的加工效果。例如,如果你在一块铜上钻了 50μm 的孔,你只会看到光,但是却不能看到让光通过的孔,到底多大或多小。
 

    光纤激光打标机:正确的微加工工具

    在一个熟练操作工的手中,使用光纤激光打标机用于微加工的最新进展,可以创建出想要的特征。这种方法的主要优点是 :光纤激光打标机比用于微加工的传统设备便宜两到三倍。成功地实现细小尺寸的微加工,不仅需要正确的工具,而且要具备如何使用工具获得想要的结果这方面的知识,同时也要考虑材料去除的质量和速度。


    例如,Miyachi America 公司最近推出的 LMF2000-SM 单模光纤激光打标机,其特点是具有独特的参数以及对这些参数的控制能力,能够实现细小尺寸特征的微加工和卓越的材料去除速度。


    LMF2000-SM 光纤激光打标机,具有极高的光束质量,可生成直径低至 20μm 的聚焦光斑,因此特别适用于各种材料(包括氧化铝、硅、铜和铝箔)的划线和切割。此外,使用具有不同脉冲宽度和峰值功率特性的可选脉冲宽度波形,能够调整特征表面的去除速度和加工质量。


    脉冲宽度和峰值功率的独立控制,相比于传统的 Q 开关激光器(其提供固定的脉冲宽度/峰值功率设置),具备明显的控制优势和过程可调谐性。快速移动激光束的扫描头也是该系统的关键部分,其需要以适当的重复性和精度提供足够高速的运动。


    光纤激光微加工技术可用于各种应用中,例如用于阻焊层的选择性去除、太阳能电池划线和钻孔,用于医用低碳钢管和流体流动控制系统的不锈钢的钻孔,以及为快速零件原型制造切割厚度为 0.02 英寸以下的金属。
 

    光纤激光打标机Vs.其他微加工技术

    单模光纤激光打标机可以替代更昂贵的微加工技术,包括 EDM 设备或 532nm 和 355nm 的 Nd :YVO4 激光器。

 

    图 1 中显示了光纤激光打标机是可以替代 EDM 机器的。左图中显示了使用光纤激光打标机,在厚度为200μm 的钢板中钻出直径 150μm 的孔,孔径公差为 ±10μm,无需后处理工作。仅使用 EDM 设备所需时间的 50%,光纤激光打标机就实现了最小量的碎屑和紧密孔径公差加工。


    此外,由于激光打标机提供 XY工作区域,其可以在单次装载操作中完成多个零件的加工,这也是与EDM 设备的不同之处(除非在运动设备中进行额外投资)。这种优势使得光纤激光打标机的投资回报(ROI)更加具有吸引力。光纤激光器还可以加工薄片材料和箔等加工困难的材料,正如图 1 中所显示的,其可以加工厚度仅为 50μm 的铜箔。

 

    图 2 中分别给出了使用光纤激光打标机(左图)和 355nm 的紫外激光器(右图)在硅上钻孔的效果图。尽管紫外激光器能提供比光纤激光器更好的加工质量,但是对于这种特定应用而言,光纤激光器的加工效果已经足够好,其加工质量足以满足应用要求。此外,光纤激光器的加工速度比紫外激光器快 17 倍,且其成本仅为紫外激光器的 50%。由于激光路径程序误差,紫外激光器加工的孔的圆度略有缺陷。


    图 3 中比较了在相同的加工时间内,分别使用 20W 的光纤激光器(左图)和 5W 的 355nm 紫外激光器(右图),在厚度为 0.008 英寸的不锈钢上钻孔的效果图。


    图 4 中突出显示了使用单模光纤激光器可能实现的精细度和加工控制,在此,光纤激光打标机用于在厚度为 25μm 的金属箔上实现深度为 13μm 的加工。加工的通道宽度为 75μm,整个区域内的深度变化为±1μm。

 

    陶瓷也是微电子学中的一种常用材料,355nm 的紫外激光器通常用于陶瓷材料的划线和钻孔。图 5 中显示了光纤激光打标机可以用于陶瓷加工,因为它可以避免陶瓷材料中容易出现的各种微裂纹。


    有许多应用需要(或可受益于)激光的选择性去除能力,例如去除金属、陶瓷甚至是塑料上的镀层或涂层。光纤激光加工技术,已经在阻焊层微加工、薄膜电阻器 / 电容器修整、以及用于焊接目的的电池箔中的活性层去除方面,显示出良好的加工结果。在元器件或零件的生产过程中,这种选择性和定制的层去除过程通常是无法实现的,因为简单的掩盖该区域并不是一种可行的方法。


    激光在选择电路的精确电阻值时非常有用。当用于电阻或电容修整时,作为动态迭代去除和测量调整过程的一部分,其中每个元件的去除面积可能不同,激光加工技术在这类应用中的表现非常优秀。


    图 6 中给出了使用光纤激光技术产生阻焊层的两个实例。对于每个部分,激光选择性地去除金层。在金涂层之后,激光可以用于选择性地去除材料 ;这是一个快速的加工过程,工作得很好。

 

    单模光纤激光打标机是一种具有成本效益的微加工工作站单模光纤激光打标机可以作为一种具有成本效益的微加工工作站,用于为各种应用提供钻孔、切割、划线和烧蚀加工。当然,它更可以用于打标!这种台式微型加工中心,能提供诸多优势,以最大限度地提高投资回报率。


    必须注意的是,除了拥有正确的工作工具外,更重要的是知道如何有效和高效地使用工具。MiyachiAmerica 开发了许多加工方法,以确保单模光纤激光器能够实现稳定的批量生产任务。


发布时间 : 2017-11-24

紫外激光器与红外激光器在加工应用中有何区别?

    红外激光器与紫外激光器是运用的最广泛的两种激光器,那么这两种激光器的加工有何区别呢?较高要求的激光打标应该如何选择呢?

红外YAG激光器波长为1.06μm是在材料处理方面用得最为广泛的激光源。但是,许多塑料和大量用作柔性电路板基体材料的一些特殊聚合物(如聚酰亚胺),都不能通过红外处理或"热"处理进行精细加工。

        因为"热"使塑料变形,在切割或钻孔的边缘上产生炭化形式的损伤,可能导致结构性的削弱和寄生传导性通路,而不得不增加一些后续处理工序以改善加工质量。因此,红外激光器不适用于某些柔性电路的处理。除此之外,即使在高能量密度下,红外激光器的波长也不能被铜吸收,这更加苛刻地限制了它的使用范围。

        而紫外激光器的输出波长在0.4μm以下,这是处理聚合物材料的主要优点。与红外加工不同,紫外微处理从本质上来说不是热处理,而且大多数材料吸收紫外光比吸收红外光更容易。高能量的紫外光子直接破坏许多非金属材料表面的分子键,用这种"冷"光蚀处理技术加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化。

        而且,紫外短波长本身的特性对金属和聚合物的机械微处理具有优越性.它可以被聚焦到亚微米数量级的点上,因此可以进行细微部件的加工,即使在不高的脉冲能量水平下,也能得到很高的能量密度,有效地进行材料加工,微细孔在工业界中的应用已经相当广泛,主要形成的方式有两种:

        一是使用红外激光:将材料表面的物质加热并使其汽化(蒸发),以除去材料,这种方式通常被称为热加工.主要采用YAG激光(波长为1.06μm)。

        二是使用紫外激光:高能量的紫外光子直接破坏许多非金属材料表面的分子键,使分子脱离物体,这种方式不会产生高的热量,故被称为冷加工,主要采用紫外激光(波长为355nm)。

        紫外激光与普通红外激光比较如图下:


        通过上表,不难发现紫外激光由于聚焦光斑极小,且加工热影响区微乎其微,在超精细打标、特殊材料打标等方面有着绝对优势。


发布时间 : 2017-11-24

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